2018年度国家自然科学奖二等奖提名-冲击载荷骨损伤、防护与康复的生物力学研究

jinguizi

项目名称        冲击载荷骨损伤、防护与康复的生物力学研究
提名单位        教育部
提名单位意见：
我单位认真审阅了该项目提名书及附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合国家科学技术奖励工作办公室的填写要求。
按照要求，我单位和项目完成单位都已对该项目的拟提名情况进行了公示，目前无异议。
该项目主要探索了冲击载荷作用下骨损伤机理，进而开展损伤防护和康复方法的生物力学研究，在跨尺度骨结构与骨折风险、骨肌协同作用机制、骨损伤与康复的跨尺度生物力学机理等方面取得了重要成果，特别在啄木鸟头部抗冲击机制、着陆损伤机制、足踝生物力学建模仿真方法等方面取得了重要突破：发现了骨结构与损伤关系的生物力学机理；揭示了着陆足踝冲击损伤的生物力学机理；发展了足踝康复的生物力学机制理论。成果被国际学术界高度关注，抗冲击机理方面研究结果被著名刊物Journal of Experimental Biology“突出成果”专栏等专文介绍，相关理论方法和结果得到了美国、英国、中国等学术界著名学者的广泛引用和积极评价，研究结果为我国伞兵着陆训练方法改进、着陆防护装备优化及康复装备设计等提供了生物力学依据。
对照国家自然科学奖授奖条件，提名该项目申报2018年度国家自然科学奖二等奖。


项目简介：
本项目属于生物力学领域。
冲击载荷作用下骨损伤、防护与康复的生物力学研究对于揭示骨肌系统损伤机制及防护方法，指导骨肌疾病治疗与康复，具有重要的理论意义。在交通、运动、航空航天、乃至日常生活中，人体骨肌损伤与防护是重要的医学与健康问题，存在着损伤频繁、机制不明、康复有效率偏低、冲击性损伤多发等问题。其主要原因是缺乏对骨结构及力学特性、运动方式与损伤及相关疾病间关系的深入、定量化研究，缺乏符合解剖生理特征、骨肌材料特性细致刻画、载荷状况精准描述的生物力学模型。在国家自然科学基金等项目支持下，完成人之间长期合作，开展骨生物力学研究方法、损伤及防护机制、骨骼疾病治疗与康复机理等研究，取得了如下主要发现。
一、骨结构与损伤关系的生物力学机理
构建微观骨材料非线性、非均匀的本构模型，揭示了骨宏微观结构与力学特性间相互关系的规律，提出跨尺度骨结构分类、骨损伤评价和评测方法，建立了跨尺度骨生物力学建模仿真方法，针对空间微重力环境下骨质疏松机制和对抗方法，开展了细胞层次和大鼠动物实验研究，发现微重力效应影响了骨细胞对力学刺激的敏感性；师法自然，从探索啄木鸟头部抗冲击机理出发，发现了啄木鸟颅骨独特宏微结构对冲击损伤特有的防护机理。本发现可用于早期鉴别骨折高风险部位，为骨折修复和骨质疏松治疗提供依据，为探索足踝损伤和防护机制提供启示。被著名刊物J. Exp. Biol.选入Highlights作为“突出成果”介绍，还被收入2013年美国最畅销的运动损伤著作，相关成果还被骨关节领域著名期刊Osteoporosis Int, J. Orthopaedic Research等正面引用及高度评价。
二、着陆冲击损伤的骨结构、骨肌协同作用机制
着陆冲击、特别是伞兵着陆常常导致足踝损伤，而我国半蹲式跳伞着陆显著区别于西方滚翻式着陆，且缺乏相关生物力学机理研究，严重威胁伞兵的生命安全。本研究揭示了半蹲式跳伞足踝着陆冲击损伤的关节活动和肌肉协同作用的内在机制，发现了着陆冲击的偏利性原则和性别差异性规律，提出了生物力学瞬态稳定性概念及评价方法。相关论文为Hum Movement Sci创刊30年来季度内阅读量最多论文，为我国伞兵着陆损伤防护提供了重要的科学依据。
三、骨肌损伤与康复的生物力学机理
建立了完整精准、符合解剖生理特征的骨肌系统冲击动力学模型，揭示了骨肌系统相关疾病的生物力学机理。成为国际生物力学领域的标志性成果(其中足踝生物力学模型近10年来被近70%的足踝生物力学相关SCI论文引用该成果)。本团队在骨肌生物力学领域已具较高国际影响，已成为国家自然科学基金创新群体和科技部重点领域创新团队。本研究获国家发明专利8项，软件著作权3项，阶段性成果获教育部自然科学奖一等奖(2015)，黄家驷生物医学工程奖基础研究类一等奖（2017），应CRC出版社邀请出版专著Computational Biomechanics of the Musculoskeletal System。完成人在国际会议作大会或邀请报告30余次，第一完成人入选美国医学工程院会士、任中国生物医学工程学会理事长(2008-2015)、世界华人生物医学工程协会（WACBE）主席（2015-2017）。


客观评价：
1、“松质骨显微结构的骨结构分类集和骨强度预测方法”工作(代表性论文1-3)，被密歇根大学Karl J Jepsen教授在药理学著名期刊Curr Opin Pharmacol综述中作为特别推荐论文；被骨质疏松领域著名期刊Osteoporosis Int综述大篇幅介绍
密歇根大学生物医学工程系骨生物力学知名学者Karl J Jepsen教授在其综述(附件1-2(1))中，高度评价该研究，认为本研究“在这个领域取得了很大的进展[36˙˙, 37]。”(第67页最后一段)；作者强烈推荐读者阅读本项目代表性论文2，并将主要结论列在文献信息下面供读者参考。(注：[36˙˙]为代表性论文2，˙˙代表特别推荐读者阅读的参考文献)。Prakash等发表于Osteoporosis Int(2007, 18: 891-903)关于影响椎体完整性因素的综述中，把该工作建立的“基于松质骨显微结构形态参数的骨结构分类方法预测骨折风险”作为松质骨“骨质”(Bone quality)决定骨强度的代表性研究进展进行大篇幅介绍。此外，本研究关于“椎体内部松质骨结构和强度存在显著性差异、椎体松质骨内部细观水平骨小梁显微结构形态和性质”的研究成果，多次被正面评价和引用。相关该研究的工作多次被生物力学、临床医学领域J Orthop Res(2010, 28: 232-240)；Clin Biomech(2008, 23: 859-869)等多个著名期刊大篇幅介绍并正面评价及引用。瑞典日内瓦大学医学院Patrick Ammann教授在Bone(2012, 51: 586-591)一文的讨论中引用了该研究的结果并评述“…These results suggest that in this specific experimental condition, the mineral phase, which mainly contributes to hardness, is altered together with the organic componet[26]…”（注：[26]为代表性论文1）证实了该研究建立的传统和新兴手段交互结合的骨检测和评价新方法，并正面肯定了该方法的有效性。
2、“啄木鸟颅骨独特宏微结构对冲击损伤特有的防护机理”工作（代表性论文4）引起国内外学术界广泛关注。被国际著名刊物J Exp Biol作为“突出成果”介绍
论文发表后引起国内外学术界的广泛关注，迄今被关注量达2万8千余次，受到百余家著名媒体（如Reuters.com、BBC等）采访并专文报道(附件2-1(1))；国际著名期刊J Exp Biol(2012, 215: V-VI)在其Outside JEB“突出成果”专栏(针对实验生物学方面最令人兴奋的发现评述专栏)撰文介绍并评述“…It could well be that nature has revealed a potentially life-saving mechanism to prevent head impact injury….”(自然界的这个奥秘向我们展示了潜在的头部冲击性损伤方面的防护机制)，认为该研究对冲击性损伤机理及其防护方法创新提供了重要指导(附件1-2(2))。美国西弗吉尼亚医学院外科学专家Joseph A. Fisher受该发现的启发发现人类肩胛舌骨肌具有类似啄木鸟舌骨抗震的作用(J Neurosurg 2012,117: 1110-8)，密苏苏里州立大学学者受该工作启发研究了啄木鸟喙部多层次多尺度结构与性能之间的关系(J R Soc Interface 2014,11:20140274)。美国著名头部损伤专家Mark Fainaru-Wada和普利策奖获得者Steve Fainaru在其有关橄榄球运动员脑部损伤的畅销书《League of Denial: the NFL concussions, and the battle for truth》(Crown Archetype Press, New York, 2013)前言部分重点介绍了该成果，认为对改进橄榄球比赛中的脑


部冲击伤防护具有重要的启发意义。全球销售量最大的科技杂志Popular Science(该杂志专门跟踪正在或将要影响我们生活的世界科技创新和突破)专文评述该研究首次发现啄木鸟特殊的曲线运动轨迹，突破传统直线加速度避免了冲击性性脑损伤的观点(《Popular Science》2014, 8:79. Edited by Daniel Engber) 。此外，该成果还受到产业界极大重视与关注，已用于鞋底结构及材料的减震设计(附件2-2)。
3、“伞兵着陆下肢损伤与防护的生物力学机制”工作（代表性论文5）被Vertical News, Science Letter和Journal of Transportation等专文报道，连续两个季度被评为人体运动科学最热门论文(Hum Movement Sci期刊创刊30年来季度内最多阅读论文之一，附件2-1（2）)
澳大利亚著名运动生物力学专家Harris NK教授等(Strength Cond J 2013, 35:47-54; 附件1-2(5))用整段文字描述了我们的研究“…To the author’s knowledge, only 1 study has investigated the effects of differing heights on all force components (22)….. It was found that only VGRF and HGRF indicated significant differences acrossall 3 heights (p <0.05)….”(文献22为该项目代表论文5(附件1-1(5))，认为该论文是目前为止唯一的关于高度对所有的地面反力分量影响的研究。相关成果已用于我国飞行员训练和防护装备改进(附件2-2)。
4、“足踝损伤与康复的生物力学机制”工作(代表性论文6-8)，被10年来近70%的足部生物力学建模方面研究(56篇Web of Science收录论文)引用
引用本工作的期刊包括11篇发表于生物力学领域顶级期刊J Biomech的论文，发表于骨科学、外科学、运动科学等领域顶级期刊的论文Osteoarthr Cartilage，Ergonomics，Curr Opin Rheumatol，Int Orthop，J Bone & Joint Surg Br, Knee Surg Sport TR A , Multibody SystDyn, J Exp Biol, J Rehabil Med等。Burkhart等(J Biomech，2013, 46: 1477-1488)撰写的关于骨组织建模中有限元网格质量、能量平衡和验证方法的综述中，认为“本研究成果作为足部建模的代表性研究”，评价该工作是足部生物力学建模标准性研究(附件1-2(7))。工程领域最古老的IEEE期刊Proceeding of the IEEE在研究中引用并证明评价了该文分析的结果(附件1-2(8))。
本项目成果已成功应用于指导飞行员的防护及训练、康复及防护装备减震优化设计(附件2-2)，取得了良好的社会经济效益。本项目成果被国内外许多权威综述刊物的文章和专著介绍或收入、被著名刊物的论文引用和评价；引文较多，因篇幅有限，上面只列举为例。


代表性论文专著目录：
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2. Gong H, Zhang M*, Fan YB, Kwok WL, Leung PC. Relationships between femoral strength evaluated by nonlinear finite element analysis and BMD, material distribution and geometric morphology. Annals of Biomedical Engineering. 2012; 40: 1575-1585.
3. Gong H, Zhang M*, Yeung HY, Qin L. Regional variations in microstructural properties of vertebral trabeculae with ageing. Journal of Bone and Mineral Metabolism. 2005;23:174-180.
4. Wang LZ, Cheung JTM, Pu F, Li DY, Zhang M*, Fan YB*. Why do woodpeckers resist head impact injury: A biomechanical investigation. PLoS one. 2011;6: e26490.
5. Niu WX, Wang Y, He Y, Fan YB*, Zhao QP*. Kinematics, kinetics, and electromyogram of ankle during drop landing: A comparison between dominant and non-dominant limb. Human Movement Science. 2011;30:614-623.
6. Cheung JTM, Zhang M*, Leung AKL, Fan YB. Three-dimensional finite element analysis of the foot during standing-a material sensitivity study. Journal of Biomechanics. 2005;38:1045-1054.
7. Yu J, Cheung JTM, Fan, YB, Zhang M*. Development of a finite element model of female foot for high-heeled shoe design. Clinical Biomechanics. 2008;23:S31-S38.
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